水面之上法测量水体光谱的关键技术

汪小勇，唐军武，李铜基，周虹丽

（国家海洋技术中心，天津 300112）

水面之上法测量水体光谱的关键技术

汪小勇，唐军武，李铜基，周虹丽

（国家海洋技术中心，天津 300112）

对水体光谱特征的研究是海洋水色遥感的基础工作之一。水体的光谱特征包括：表观光学特性和固有光学特性。在水体的表观光学特性研究方面，目前国际水色界推行的有：剖面法和水面之上法（也称表面法）。由于我国近岸水体混浊度较高，浅水区域较多，研究这类水体的表观光学特性应以水面之上法为主、剖面法为辅。介绍了水面之上法水体光谱的测量技术，就其中关键技术问题进行了讨论。

水面之上法，水体光谱，光谱测量

在海洋水色遥感中，通常把海水分为两类：I类水体和II类水体。I类水体是指其光学性质主要由浮游植物及其降解物质色素所决定的海水，而II类水体是指光学性质由包括非叶绿素降解物质所决定的水体，这些物质主要是有色可溶性有机物（CDOM）、悬浮物、碎屑及细菌等。由于影响不同类水体光学特性的因素不同，所用的研究方法也就不同。在研究I类海水的表观光学特性时，以剖面法为主；而在研究II类海水的表观光学特性时，则以水面之上法为主。所谓剖面法，是纵向测量水下不同深度水体的光学特性，外推得到水表面的光学信号，从而求得离水辐亮度（Lw）、归一化离水辐亮度（Lwn）和遥感反射比（Rrs）等遥感物理量。这种方法在大洋I类水体中应用十分广泛，在混浊浅水区则无用武之地。所谓水面之上法，是在水面上方采取适当的观测几何，通过观测海面、对应方向上天空光和海面入射辐照度（或水平放置的标准板）等目标，来求得与剖面法相同的遥感物理量。水面之上法在我国近岸水体及湖泊水体的光谱特性研究中，发挥着越来越大的作用。

1 水面之上法的测量原理及分析

水面之上法的测量过程是通过测量海面、天空光的辐射亮度以及海面入射辐照度来导出离水辐亮度、归一化离水辐亮度及遥感反射比等遥感物理量。

1.1 观测几何

根据最新美国SeaWiFS海洋光学规范[1-4]推荐的观测角度为（θ,φ）=（40°，135°），其中：θ是仪器观测方向与海面法线方向的夹角；φ是仪器观测平面与太阳入射平面的夹角（图1）。采取此观测角度可最大程度地避免太阳直射反射，同时减少测量点周围建筑物阴影的影响。

图1 现场测量的几何关系

1.2 离水辐亮度的测量

光谱仪接收到的信号为：

式中：Lw为离水辐亮度贡献：ρ*Lsky为对应方向反射天空光辐亮度的贡献；ρ为气水界面反射率；Lg为太阳直射反射贡献。采取前述的观测几何，可认为Lg≈0，因此有：

1.3 海面入射辐照度（Es）的获取

Es参数可通过直接测量获得，这样的探头大多有一个余弦采集器或者积分球，测量时必须安装在其180°立体视场角均无遮挡物的地方，而且要保证仪器探头的绝对垂直，并且在测量时要与测量海面部分同步进行。

另外，该参数也可以通过测量标准板的辐射亮度来间接求得[5-9]：

式中：Lp为测得的标准白板的辐射亮度；Rp为标准白板的反射率。

这种方法有优越性，也有局限性。

1.3.1 优越性

采用这种方法测量时，只用一个辐亮度探头，只要测量仪器稳定性好、线性度好，则不需要严格的实验室绝对辐射定标就可以获得遥感反射比等物理量：

式中：DNsea，DNsky，DNp分别为光谱仪面向水体、天空和标准板时的读数；ρ和Rp分别为气水界面反射率和标准板的反射率。

如果采用直接测量的方法来获取Es，则需要单独的一个探头来测量天空辐照度，因此会引入一定的误差，而且必须对仪器进行实验室绝对辐射定标。另外，如果需要导出归一化离水辐亮度、离水辐亮度等参数，同样需要对仪器进行实验室绝对辐射定标。

1.3.2 局限性

（1）标准板必须进行严格的定标，包括双向反射率定标，否则在晴天测量时不同的太阳天顶角会引起测量结果较大的误差；

（2）现场测量时，标准板的周围及上层建筑的遮挡和反射影响难以消除；

（3）相对于直接测量Es的方法，测量标准板的辐射亮度，增加了测量步骤，相应也就加长了现场试验所用的时间；

（4）测量时，要保证标准板的严格水平和标准板不受污染，这在野外试验特别是在船上作业时难度较大；

（5）相对于直接测量Es的方法，测量标准板时不能和水面及天空的数据同步采集，因此不能实时观测太阳的变化，因此，也就引入了一定的误差。

图2是直接测量的Es和通过测量标准板（反射率为25%）的辐亮度而获得的Es的比较结果。从图中可以看出，两者的结果相差不大，最大误差在7%左右，这可能是标准白板和现场环境的上层建筑带来的误差。

图2 海面入射辐照度Es测量值与计算值对比

1.4 归一化离水辐亮度及遥感反射比等物理量的求取

归一化是消除太阳光照影响和大气影响，相当于把所有的测量条件都归于同一种情况：太阳在测量点法线方向上，真空中测量，使所有测量具有可比性。根据NASA SeaWiFS海洋光学规范，归一化离水辐亮度定义为：

式中：F0为大气层外平均日地距离处的太阳辐照度；Ed(0+)是水表面上总的下行入射辐照度；Lw为离水辐亮度。Ed(0+)或Es可由（3）式计算或直接测量得到。遥感反射比定义为：

2 水面之上法的关键问题

2.1 仪器的定标

2.1.1 实验室绝对辐射定标

遥感器定标是遥感信息定量化的前提，遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于遥感器的定标精度。对现场测量的仪器，所指的定标是实验室绝对辐射定标，一般要求每半年标定一次，或长期大型试验前后各标定一次，根据NASA SeaWiFS海洋光学规范要求，实验室绝对辐照度定标的不确定度＜2%，辐亮度定标的不确定度＜3%。

实验室绝对辐射定标是建立探测器输出信号的数值量化值与该探测器对应目标的实际辐射值之间的定量关系的一个过程，包括辐照度定标和辐亮度定标。

辐照度定标需要：标准灯、光栏、稳压电源、数字电压表、千分尺等辅助设备；

辐亮度定标需要：标准灯、光栏、稳压电源、数字电压表、标准反射板、千分尺等辅助设备。

实验室定标流程：调整光路—测量距离—给标准灯缓慢加电—定标测量—计算定标系数。定标示意图如图3所示。

另外，实验室绝对辐射定标对实验室要求很高，包括对外界光的屏蔽、对温度湿度的要求、对实验室清洁度的要求等[10]。

图3 实验室绝对辐射定标示意图

2.1.2 波长定标

波长定标的目的是校正仪器响应波长的漂移，一般要求每半年标定一次。目前普遍的做法是，在额定的电流和电压下，用仪器观测有特征波长的标准灯。用标准灯的特征波长来校正仪器的响应波长即可。

图4是FieldSpec波长定标的数据，图中光谱曲线的峰值为仪器响应波长，表1中列出了标准灯的特征波长及仪器的响应波长，从结果来看，仪器的波长漂移很小，性能良好。

图4 波长定标数据

表1 波长定标结果/nm

2.1.3 试验期间的仪器质量跟踪

质量跟踪的含义是用稳定的光源来检测仪器定标方程的变化。由于野外试验的环境复杂，如果试验期间仪器性能变化太大，在此期间获得的数据就没有可比性。因此，经实验室绝对辐射定标后的仪器在长期的野外试验期间，必须进行质量跟踪，确保获得高质量的数据。

2.2 气水界面反射率的确定

气水界面反射率的确定一直是一个有争议的问题。式（2）中ρ为气水界面反射率，其范围在0.02～0.05之间。一般在晴天，二级海况以下，观测几何为（40°，135°）时，ρ可选取0.021，但实际现场试验中天气情况要复杂得多，因此ρ的选取十分复杂也很重要。

因为近红外波段的强烈吸收，在近红外波段，一般离水辐亮度就已经为0或接近于0了。如在I类水体（叶绿素a浓度 ＜0.25 mg/m3）中，Lw(670)=0 的假设是可以成立的[11]，而在II类水体则比较复杂，要根据水体的本身情况来确定，可选择Lw(1012)=0[12]。当离水辐亮度Lw为0时，由式（2）可以得到气水界面反射率。

根据Mobley[13-14]研究表明，ρ与风速、观测角度以及太阳天顶角有关。并给出了在40°观测角时风速和太阳天顶角对应气水界面反射率的关系（图5）。一般在全云覆盖、低风速、观测角为40°时，ρ可定为0.028，这比我们的经验值稍大。

图5 气水界面反射率与风速、天顶角之间的关系（观测角为40°）

2.3 太阳耀斑的剔除

目前，已有很多算法可以实现对太阳耀斑等光污染的剔除，如M80，C85，S95，L98等。但这些算法都是针对特定仪器开发的，算法中有些参数普通仪器无法测得。因此我们采用选择适当的观测几何，最大程度地避免太阳耀斑等光污染的影响。所以现场的观测几何是相当重要的。根据Hooker等人[15-16]多次比对试验表明，采取(30°＜θ＜45°,90°＜φ＜135°)观测几何，可以减小耀斑的影响。最新版的NASA海洋光学观测规范也建议在（40°,135°）的观测几何下测量海面和天空光辐亮度。

即使采取了适当的观测几何，还是不能完全避免太阳耀斑灯光污染的影响（图6），必须在后期的数据处理中予以剔除。由于太阳耀斑的信号比较强，一般比其他方面的贡献要大，因此，数据处理中要剔除较大的数据。

图6 一个波浪周期内海面光谱数据

2.4 双向反射率的校正

在晴天而且用测量标准板方法来获得Es的情况下，必须对所得数据进行双向反射率校正。表2是一个反射率为35%的标准板在不同观测角度时测定的反射率随波长变化的数据，从中可以看出，在观测角为10°和70°时反射率之间的误差最大能达到14.6%，因此在晴天情况下测得的数据，后期处理时必须予以校正；但是，在阴天情况下测得的数据，由于各方向光照均匀，则不能进行双向反射率的校正。

双向反射率校正的过程比较复杂，涉及到测量太阳直射辐照度，这在船上现场操作比较困难，精度也不够，现提供一种粗校正的方法。需要的参数有：测量点的经纬度和观测时间，计算当时当地的太阳天顶角，在双向反射率表中，找出对应角度的反射率计算。

表2 不同观测角度对应反射率及相互间误差

2.5 仪器的积分时间或增益的调整

在0～1级海况，晴天无云的天气情况下，采用不同的积分时间（272 ms，544 ms，1 088 ms和 2 176 ms）来观测海面，得到图7中的遥感反射比曲线。由图7分析可知，积分时间越长，对应的遥感反射比越大，主要原因是长积分时间无法避免随机性的太阳耀斑等光污染。但若积分时间太短，会导致仪器信噪比下降。综合考虑，仪器的积分时间可确定为100～300 ms，一方面保证仪器的信噪比，另一方面避免太阳耀斑等光污染的影响[6]。同时，为减小仪器更换积分时间(切换增益)带来的系统误差，还要尽量使仪器测量标准板与测量海面目标用同一积分时间(增益)，由于海面的信号比较弱，建议使用反射率为20%～30%的标准板。

图7 晴天时同一测量点不同积分时间下获得的遥感反射比

3 误差的来源及分析

水面之上法测量误差主要源于仪器的定标误差、测量用标准反射率白板的标定误差、测量方法不当引入的误差以及光照条件变化引起的误差。其中，仪器定标误差约5%；标准板标定（BRF）误差约3%；数据处理误差约7%，总误差约为9.2%。以上误差是在仪器和标准板经严格实验室定标、现场测量时严格遵循现场测量几何关系下，并且晴天、无云、能见度高、海况较好的情况下得到的。

误差分析：

（1）仪器定标误差约为5%，其中包含标准传递引起的误差，约1%，这是不能避免的，另外使用标准板引入的误差，约3%，其他误差来自各探头离点光源距离不等，以及距离测量等方面。

（2）标准板标定误差为约3%，包含其朗勃特性和均匀性方面误差，需要在材料和工艺方面进行改进才能减小这方面误差。

（3）数据处理误差为约7%,包含测量数据引起的误差，由于波浪的影响，海面观测数据在1 s以内变化都是很大的（图6），有效数据不到10%，减小误差的方法是连续快速采集尽量多的数据，设置采样间隔，以确保跨一个或多个波浪周期。另外，在确定气水界面反射率ρ时，也会引入较大的误差，因为ρ与风速风向、太阳位置以及观测几何等因素有关，比较复杂，应尽快建立有效的模型来确定此参数，以减小此方面带来的误差。

4 结论

本文给出了水面之上法光谱测量的原理，讨论了光谱测量中的关键问题，对其中关键问题如实验室定标、气水界面反射率的求取、太阳耀斑的剔除及双向反射率的校正等问题进行了详细的叙述，但有些细节尚需进一步的研究，同时对水面之上法的各种误差来源进行了分析。只有把握住每一个环节中的关键问题，提高水面之上法的整体精度，才能在我国的近岸海洋水色遥感中发挥更大的作用。

[1]James LMueller,Giulietta SFargion，Charles R McClain，et al.Ocean Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2003,Rev4.

[2]Fargion GS，J LMueller.Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2002,Rev3.

[3]Fargion GS，J LMueller.Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].2000,Rev2.

[4]Mueller J L，R WAustin.Ocean Optics Protocols for SeaWiFSValidation[M].1995,Rev1.

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[6]汪小勇，李铜基，唐军武,等.二类水体表观光学特性的测量与分析—水面之上法方法研究[J].海洋技术，2004，23(2)：1-6,23.

[7]唐军武,田国良，汪小勇，等.水体光谱测量与分析——水面之上测量法[J].遥感学报，2004，8(1)：37-44.

[8]唐军武.水色光谱分析与多成分反演算法[J].遥感学报，1997，1(4)：252-256.

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Key Technologies of Water Spectra Measurements with Above-water Method

WANG Xiao-yong,TANG Jun-wu,LI Tong-ji,ZHOU Hong-li
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China)

The research on water spectral properties is a basic work of ocean color remote sensing.The water spectral properties contain Apparent Optical Properties(AOP)and Inherent Optical Properties(IOP).There are two popular methods to study water AOP:profiling method and above-water method at present.Due to the turbid and shallow coastal waters of our country,the main research method on AOP of these waters is above-water method,and the profiling method is auxiliary.The above-water method of water spectra measurements and analysis were given and a discussion was given about key technologies.

above-water method;water spectra;spectral measurement

TP79

B

1003-2029（2012）01-0072-05

2011-11-10

我国近海海洋综合调查与评价专项资助项目——ST11区块海洋光学调查与研究（908-01-ST11）;我国近海海洋综合调查与评价专项资助项目——我国近海海洋光学与遥感调查研究（908-ZC-I-04）

汪小勇（1978-），男，高级工程师，研究方向为海洋光学遥感。Email：wangs78@163.com